楊 海，高山峻，許文斌，楊雪婷

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

隨著當(dāng)前國家電力需求越來越高，電力系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，相應(yīng)的電力系統(tǒng)也越來越多，且電能的輸送和分配任務(wù)變得更加繁重，傳統(tǒng)的人工巡檢的壓力和危險程度也變得越來越大。 因此，對電力系統(tǒng)定期巡檢變成了維護(hù)電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)的人工巡檢對工作人員存在一定風(fēng)險和弊端[2]，例如，隨著巡檢次數(shù)增加、測量準(zhǔn)確度要求提高和隨著電壓升高對工作人員的危險變大，且一些狹小的空間，工作人員不方便進(jìn)行檢查，導(dǎo)致對電力系統(tǒng)一部分的疏忽，這些問題都對傳統(tǒng)的人工巡檢方式提出了巨大的挑戰(zhàn)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將機(jī)器人技術(shù)帶入到電力系統(tǒng)巡檢中代替人工巡檢，不僅會帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益，還會大大減少電力系統(tǒng)中高壓高輻射對工作人員的傷害，還會將機(jī)器人技術(shù)運用于實際，更好地促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展[3]。

本文從提升巡檢機(jī)器人運動穩(wěn)定性和功能性出發(fā)，自主研發(fā)適合電力系統(tǒng)狹小空間的一套針對電力系統(tǒng)場站巡檢能夠進(jìn)行自由移動的巡檢機(jī)器人平臺，利用紅外傳感器[4-6]和超聲波傳感器[7]能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物實時檢測， 自動根據(jù)障礙物的形狀避障，具有定位導(dǎo)航功能，利用人工勢場法能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的軌跡規(guī)劃，達(dá)到移動到指定目的地的目的。

1 電力巡檢機(jī)器人整體設(shè)計

1.1 電力巡檢機(jī)器人機(jī)械設(shè)計

本系統(tǒng)所使用移動機(jī)器人平臺的底盤自主研發(fā)，在solidworks 軟件中進(jìn)行設(shè)計。 機(jī)器人主體采用八邊形玻璃板，玻璃板輕便且在電力系統(tǒng)中相對穩(wěn)定， 設(shè)計了由1 塊5 V 驅(qū)動板和Mega2560 電路板對4 個獨立驅(qū)動主動輪進(jìn)行控制。 底板規(guī)則多邊形設(shè)計和4 個交叉布置的輪子在輪子的運動方向上呈現(xiàn)三角形布局，讓機(jī)器人在巡檢過程中擁有更加穩(wěn)定的條件，三維模型如圖1 所示，裝置圖如圖2所示。

圖1 巡檢機(jī)器人三維模型Fig.1 Three dimensional model of inspection robot

圖2 巡檢機(jī)器人裝置圖Fig.2 Inspection robot

每個輪子采用的是全方位輪而且在外緣按照一定角度增加了一組輥子可以保證運動的平滑性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)不需要平臺轉(zhuǎn)換方向的二維移動加一維移動，其正視圖和左視圖如圖3 所示。

圖3 巡檢機(jī)器人全方位輪Fig.3 Omnidirectional wheel of inspection robot

1.2 電力巡檢機(jī)器人坐標(biāo)系模型

本文所設(shè)計的巡檢機(jī)器人在行進(jìn)平面上選擇一點O，把該點O 作為全局坐標(biāo)系的原點，選取2條相互垂直線作為全局坐標(biāo)系X 軸和Y 軸，把巡檢機(jī)器人的質(zhì)心坐標(biāo)定為原點o，把機(jī)器人運動模型左側(cè)定位局部y 軸，前面定位為x 軸，如圖4 所示。

圖4 巡檢機(jī)器人坐標(biāo)圖Fig.4 Inspection robot coordinates

該機(jī)器人運行以電機(jī)轉(zhuǎn)向為基礎(chǔ)進(jìn)行運動，采用四輪同轉(zhuǎn)速的方案，并且假設(shè)在機(jī)器人運動方向上取逆時針，如圖5 所示描述的是巡檢機(jī)器人在二維坐標(biāo)中的位置。

圖5 巡檢機(jī)器人的位置圖Fig.5 Location of inspection robot

L 為輪子到巡檢機(jī)器人質(zhì)心的距離， 機(jī)器人質(zhì)心到四個輪的向量分別為Pn，即：

設(shè)F 為機(jī)器人坐標(biāo)系到各個輪中心方向上驅(qū)動正方向的單位矢量：

R（β）為二維旋轉(zhuǎn)矩陣，即：

PB表示機(jī)器人在坐標(biāo)系中的位置：

設(shè)各個輪子中心點在機(jī)器人坐標(biāo)系中的向量可表示為Qn，即：

設(shè)各個輪子的速度矢量為Vn， 可得到Vn＝Qn′，由此可憑借運動關(guān)系得到：

設(shè)輪子半徑為r，所以Vn=rωn，得巡檢機(jī)器人的運動學(xué)模型：

2 基于多傳感器障礙檢測自動運行設(shè)計

2.1 局部避障處理

在電力系統(tǒng)條件下實際路況比較單一，機(jī)器人可選擇的路線比較有限，遇到障礙物的情況也是有限的，基于此背景，本文會根據(jù)實際環(huán)境情況做劃分，進(jìn)而確定避障策略。

當(dāng)巡檢機(jī)器人在按照正常規(guī)劃好的路徑巡檢時，會有近紅外傳感器和超聲波傳感器來對前左右3 個方向進(jìn)行判斷[8]。利用近紅外傳感器和超聲波傳感器測距的原理進(jìn)行障礙物檢測時，通過設(shè)計一個安全距離使傳感器有足夠的時間發(fā)出并接收信號來判斷障礙物的位置，從而進(jìn)行避障。 為了避障的準(zhǔn)確性，本文將障礙物標(biāo)準(zhǔn)化為矩形，通過傳感器直接獲取周圍障礙物的距離信息，來保證避障的安全性，機(jī)器人與障礙物的相對位置如圖6 所示。

圖6 各個情況下的障礙物位置Fig.6 Location of obstacles in each case

以上是對所能碰到的障礙物的情況做一個分布?xì)w納，全部情況包含在其中，所以采用以上標(biāo)準(zhǔn)化后的空間障礙分布模型算法可以達(dá)到安全躲避障礙的效果。

2.2 基于人工勢場法和計數(shù)算法的動態(tài)路徑規(guī)劃

在本文中計數(shù)算法和避障功能配合實現(xiàn)，即在避開障礙物的過程中的運行時間是以計數(shù)算法來設(shè)置的，同時配合調(diào)整過的人工勢場法[8-9]在未知環(huán)境下向定位點運動，主要包括以下3 個步驟：推出斥力勢函數(shù)、推出引力勢函數(shù)、計算合力。

2.2.1 斥力勢函數(shù)

監(jiān)測到障礙物時巡檢機(jī)器人需要避障，因此在勢場中障礙對機(jī)器人產(chǎn)生斥力，且距離越小斥力越大。 因此，勢能和距離成反比，我們可以假設(shè)斥力勢函數(shù)為

式中：l 為巡檢機(jī)器人與障礙物之間的距離；lmax為勢場作用的最大范圍；k1為系數(shù)。 所以巡檢機(jī)器人機(jī)器人所受到的斥力為

當(dāng)l 趨于0 時，趨向于無窮大。為了避免在監(jiān)測過程中機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞，因此設(shè)置一個最小的安全距離L，l 當(dāng)趨近于L 時，F(xiàn)l足夠大即可。

2.2.2 引力勢函數(shù)

巡檢機(jī)器人的動態(tài)軌跡是隨著定位目標(biāo)點規(guī)劃的，所以目標(biāo)點始終會對巡檢機(jī)器人產(chǎn)生一種引力，并且這種引力與巡檢機(jī)器人與目標(biāo)點之間的距離大小成正比，二者相距越遠(yuǎn)引力勢能就越大[10]。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點時，引力也就隨之消失。 根據(jù)這個相關(guān)關(guān)系，可以假設(shè)機(jī)器人的引力勢函數(shù)為

式中：k2為系數(shù)；h 為機(jī)器人與目標(biāo)點之間的距離，最后得出機(jī)器人所受的引力如下：

2.2.3 合力的計算

將引力與斥力同時在x、y 兩個方向上分解，并計算出同方向上合力，再進(jìn)行合力計算：

式中：Fx為引力和斥力在x 軸分量的合力；Fy是引力和斥力在y 軸分量的合力。

秦明月剛走出盧局長辦公室，手機(jī)就響了，還是邊峰打來的，他想想還是接了。邊峰說：“秦隊，你別不夠意思啊，我們一起喝喝茶如何？”

2.3 動態(tài)路徑規(guī)劃中的定位導(dǎo)航

為了使巡檢機(jī)器人更準(zhǔn)確地確定目的地，因此增加了一個定位模塊來對目的地進(jìn)行定位，使機(jī)器人實現(xiàn)在未知環(huán)境下的定位導(dǎo)航功能。 在巡檢機(jī)器人的定位模塊中設(shè)定好目的地的位置，巡檢機(jī)器人就會開始向著定位好的點進(jìn)行動態(tài)路徑規(guī)劃，可以有效避免巡檢機(jī)器人巡檢過程中因為繞路而耗費時間的情況。

3 實驗開發(fā)與驗證

3.1 實驗軟硬件開發(fā)

巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包含Mega2560 電路板的選擇，和相關(guān)代碼控制軟件Arduino 等，該電路板具有54 路數(shù)字輸入輸出， 具有大量IO 接口。該控制系統(tǒng)通過電腦設(shè)計代碼用USB 連接電腦進(jìn)行代碼的上傳，來控制機(jī)器人所具備的功能。

驅(qū)動車輪行走的電機(jī)采用的是42 步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)噪音低、力矩大、運行平穩(wěn)、精確度高等特點。 本文所用電機(jī)，電機(jī)機(jī)身長40 mm，軸徑5 mm，電機(jī)扭力0.4 N·m，電流1 A，最高轉(zhuǎn)速1200 r/min，額定轉(zhuǎn)速600 r/min。

電機(jī)采用的是二相混合式步進(jìn)驅(qū)動器HB420，該驅(qū)動器內(nèi)部采用類似伺服控制原理電路，此電路可以使電機(jī)低速運行平穩(wěn)， 幾乎沒有震動和噪聲，擁有較多的IO 接口，便于外部信號的接收與反饋。

3.2 實驗驗證

實驗設(shè)置的巡檢機(jī)器人在實際場景下的軌跡圖，如圖7 所示。

圖7 實際路線圖Fig.7 Actual road map

圖8 避開障礙物的數(shù)量Fig.8 Number of obstacles to avoid

可見碰撞到每個障礙物的幾率為2.9%，避障效果較好，體現(xiàn)多傳感器融合的避障算法有效性。

在實際標(biāo)準(zhǔn)路徑中設(shè)置起點到目的點距離為3.510 m 為標(biāo)準(zhǔn)，但在實驗過程中也出現(xiàn)了實際軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡出現(xiàn)了偏差的情況，因為到達(dá)目標(biāo)點可能會受到附近障礙物的的影響，巡檢機(jī)器人受到排斥力可能會偏移軌跡[11]，因此重復(fù)實驗15 次，運動軌跡情況如表1 所示。

表1 重復(fù)實驗下的運動軌跡情況Tab.1 Motion trace under repeated experiments

由實驗數(shù)據(jù)得出其中最遠(yuǎn)偏移的距離為1.6 cm，可以得出由障礙物排斥影響的效果較小，動態(tài)路徑規(guī)劃效果較好，證明了人工勢場法和計數(shù)算法的有效性。

巡檢機(jī)器人面對較復(fù)雜障礙物情況時的避障方案：

（1）面對柱形障礙物進(jìn)行繞柱

將設(shè)計代碼輸入到電路板中使巡檢機(jī)器人運用超聲波傳感器識別距離在3～7 cm 之間[12]，且在周圍無障礙物的前提下，代碼控制巡檢機(jī)器人會向右進(jìn)行平動此時開始計數(shù)中的加法計數(shù)，并且此時巡檢機(jī)器人左側(cè)的近紅外始終處于觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)左側(cè)近紅外不觸發(fā)時，停止加數(shù)，機(jī)器人繼續(xù)向前運行，此時機(jī)器人后面的近紅外向左監(jiān)測到障礙物開始觸發(fā)，當(dāng)近紅外不觸發(fā)時小車開始向左進(jìn)行計數(shù)減數(shù)，當(dāng)減到0 時小車即為已經(jīng)繞開柱形障礙物繼續(xù)前進(jìn)，具體軌跡如圖9 所示。

圖9 繞柱運行圖Fig.9 Column winding operation diagram

（2）當(dāng)前方和右側(cè)監(jiān)測到障礙物

這種情況下小車的前側(cè)超聲波傳感器和頂部近紅外傳感器同時檢測到障礙物的存在，變進(jìn)行向左平動，直到超聲波傳感器檢測前方無障礙物為止[13]，軌跡如圖10 所示。

4 結(jié)語

圖10 面障礙物避障圖Fig.10 Obstacle avoidance

本文進(jìn)行了對電力巡檢機(jī)器人自動避障與軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的研究，提出了完整的設(shè)計方案，通過外形設(shè)計和內(nèi)部代碼完成對巡檢機(jī)器人功能和運動的實現(xiàn)，通過運用多種傳感器協(xié)調(diào)配合來對機(jī)器人對障礙物的識別及避障進(jìn)行完善，在運用計數(shù)算法和人工勢場法來實現(xiàn)在位置環(huán)境下向目標(biāo)地點的動態(tài)軌跡規(guī)劃。 最后通過實驗測試相應(yīng)功能，證明該系統(tǒng)的可行性。